工業機器人實驗平臺設計

王棟　花文超　李祺　朱劍　王飛　胡澤黎

摘要：為滿足本科生實驗教學需要，構建Delta機器人實驗平臺，平臺配置的OMRON運動控制系統以NJ控制器為中心，通過EtherCAT網絡將運動、邏輯、視覺控制等功能合而為一，利用軟件Sysmac Studio的配置、編程、仿真、監控功能和視覺傳感器的檢測功能，在工業機器人實驗平臺上完成了“檢測、跟蹤、抓取、搬運”實驗，證明了設計方案的可行性。

關鍵詞：工業機器人；NJ控制器；Sysmac Studio；視覺分揀；物料搬運 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP242 文章編號：1009-2374（2016）23-0027-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.23.012

Delta機器人屬于高速、輕載的并聯機器人，一般通過示教編程或視覺系統捕捉目標物體，由三個并聯的伺服軸確定抓具中心（TCP）的空間位置，實現目標物體的運輸、加工等操作，主要應用于食品、藥品包裝和電子產品裝配等行業。

采用Sysmac Studio軟件設計的Delta機器人控制系統，通過NJ控制器內置的EtherCAT高速通信端口，提高圖像處理系統、控制器及伺服驅動器輸入輸出數據處理的速度，實現高速、高精度控制，在線拾取移動速度較快的工件。同時，由于實現了一體化控制，編程語言得到了統一，從開發和維護的角度來說，提高了實時性和維護性。此外，使用Sysmac Studio軟件平臺，通過簡單的設定即可完成對控制器、網絡、伺服以及其他現場設備的配置，通過內部功能塊即可完成復雜的運動控制，并可使用NS統合模擬及仿真功能，提高程序的調試效率。而在實際現場，通過使用標準的RJ45連接器，即可將控制器與現場設備進行簡單快速連接，因此兩者的結合充分實現了Delta機器人在實際應用中的價值。

目前國內的機器人實驗平臺主要側重于機器人的組成結構和原理方面的介紹、串聯機器人示教編程的設計，對機器人技術的應用涉及較少，限制了學生在實驗平臺上的動手機會。本文構建的工業機器人實驗平臺可以進行多項并聯機器人應用方面的實驗，再結合機器視覺系統，引入機器人分揀的概念，貼近生產現場實際工況，更能激發學生的學習和研究興趣。

1 實驗平臺的硬件組成

工業機器人實驗平臺主要由OMRON自動化運動控制系統、4軸Delta并聯機械手、OMRON機器視覺檢測系統、編程設備及相關軟件4個部分組成。包括：

1.1 OMRON自動化運動控制系統

包括：基于NJ501-4310CPU的機械手控制專用CPU主機單元、主機電源、高速計數單元、開關量輸入/輸出單元、伺服驅動器與伺服電機、觸摸屏、相關電纜，還有部分傳感器、開關、繼電器及連接線、接線端子等附件。

1.2 4軸Delta并聯機械手

包括：4軸Delta并聯機械手本體、外圍流水線機架（兩條輸送帶及控制輸送速度的變頻器、電機、旋轉編碼器、位置檢測相關傳感器等）。

1.3 OMRON機器視覺檢測系統

包括：基于FZ3-350 Z的圖像傳感器控制器，FZ-SC2M系列200萬像素工業機及相關鏡頭、光源、顯示器、通訊電纜等。

2 機器人工作原理

2.1 Delta并聯機械手的結構

如圖2所示，Delta機器人的機械部分主要由固定支架、機械臂、可動支架三部分組成。三臺伺服電機驅動A0、A1、A2三個關節，實現活動機架的定位。根據需要，在活動機架上還可以安裝旋轉頭，由安裝在固定支架上的第四個伺服電機通過傳動軸控制抓具（TCP）中心轉動。

2.2 Delta并聯機械手的動作流程

如圖3所示，從任意的點A（X1、Y1、Z1）開始到達傳送帶上的任意的點B（X2、Y2、Z2）為止進行門型動作。點A為Pick位置、點B為Place位置。往復動作的方法如下：（1）絕對位置移動。從當前位置到某一點（X2、Y2、Z2）之間進行絕對位置移動；（2）Pick&Place動作（輸送帶跟蹤）。從某一點（X1、Y1、Z1）到某一點（X2、Y2、Z2）之間進行門型動作，某一點（X2、Y2、Z2）示意的是傳輸帶上的工件坐標，機械手與傳輸帶同步運動；（3）Pick&Place動作（定點間）從某一點（X1、Y1、Z1）到某一點（X2、Y2、Z2）之間進行門型動作。

2.3 Delta機械手的拾取原理

機器人用NJ系列CPU單元中使用以下三種坐標系：

2.3.1 軸坐標系（ACS）。機械手主動臂與固定支架平面在同一方向時的位置為0度，下側為正方向，上側為負方向，所有軸均相同。軸伺服驅動器也根據此坐標系設定，如圖4所示：

2.3.2 機床坐標系（MCS）。如圖2所示（Xm，Ym，Zm）的笛卡爾坐標系就是機床坐標系（MCS），與軸坐標系（ACS）有確定的轉換關系。

2.3.3 用戶坐標系。用戶坐標系（UCS）是虛擬坐標系，工件在機床坐標系和視覺坐標系中的坐標將統一轉換成用戶坐標系的坐標（Xu，Yu，Zu），以方便機械手對傳送帶上的移動工件通過視覺檢測來拾取。用戶坐標系的Xu軸和輸送帶運行方向一致，原點可以設計成和機床坐標系相同。根據輸送帶上三個點MCS坐標（Xmi，Ymi，Zmi）計算出用戶坐標系相對機床坐標系的偏轉角度（Rx，Ry，Rz），從而確定用戶坐標系。角度計算用功能塊“FB_3D_Coordinate_Conver”，確定坐標系用功能塊“MC_DefineCoordSystem”。

如圖5所示，視覺傳感器可以識別通過輸送帶進入視野區域中的工件，來自于NJ控制程序的視覺觸發信號根據輸送帶位置確定，輸送帶每移動一個固定的長度，發送一個信號給視覺控制器，觸發視覺拍照。獲取觸發時刻輸送帶位置和工件拍攝坐標后，根據公式：輸送帶當前位置-觸發時刻輸送帶位置+拍攝坐標=工件當前位置，當循環計算出來的工件當前位置在機械手可抓取區域內時，發出機械手抓取信號，抓取的目標位置為計算出的工件當前位置。

3 機器人實驗功能

3.1 門型物料搬運實驗

Delta機械手抓取目標工件時，以走門字形運動軌跡為主。本系統Pick&Place動作軌跡規劃如圖6所示，其中點A為Pick位置、點B為Place位置，點C為一個動作流程的結束位置。其中點A的位置由視覺處理分析獲得，而點B和點C位置由用戶設定。當視覺傳感器檢測到工件時，執行MC_SyncLinearConveyor指令，機器人與輸送帶做同步動作，機器人從當前位置追隨工件，追上后抓取工件，并與輸送帶繼續同步動作，如圖示動作①和②。經過軌跡目標時間后，工件當前反饋的位置與指令設定的目標位置一致時，執行MC_SyncOut指令，采用同步停止的方式解除同步，如圖示動作③。然后執行MC_MoveTimeAbsolute指令，向點B做門型動作，當在指定時間內到達B點時，機械手的TCP變為FALSE，如圖示動作④。再通過C_MoveTimeAbsolute指令，向B點正上方的C點進行移動，如圖示動作⑤，此時一個動作流程結束。當傳感器檢測到下一個工件時，如圖動作⑥所示，機械手向A點進行門型動作，動作原理同動作①，只是此時的開始位置變成了點C。如此循環執行Pick&Place動作，直到有停止指令。

3.2 在線視覺分揀實驗

在使用視覺獲取坐標并控制機械手進行抓取時，首先統一視覺與機械手兩者之間的坐標系，然后按輸送帶移動長度定間隔觸發視覺，根據循環計算的結果，控制機械手在可抓取區域抓取工件。本系統可通過視覺處理進行工件形狀、顏色、缺陷的NG（合格性）判斷，決定是否對工件進行抓取，也可以抓取流動的混合工件定點擺放。同時通過識別工件在輸送帶上的擺放姿勢，輸出位置偏移角度數據，控制機械手抓取后，通過旋轉伺服軸實現定位擺放。

4 結語

Delta機器人作為大學生實驗平臺，其高效、高精度的特點與現代工業高速發展緊密結合，學生通過相關課程學習和實驗能夠了解和熟悉Delta機器人的原理，為今后的學習和工作奠定基礎。

項目中軟硬件系統均符合當前自動化系統開放式、模塊化、可重構和智能化等發展趨勢，掌握應用于工業領域的機器人技術、計算機技術、自動控制技術、高速實時網絡通訊等高新技術，為后續開發這類自動化生產線提供典型案例和積累經驗，開辟機器人在新型產業中應用的廣闊前景。

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作者簡介：王棟（1994-），男，四川巴中人，江蘇大學機械工程學院本科學生，研究方向：機械電子工程。

（責任編輯：黃銀芳）